在結構施加荷載產生變形後,其「結構形狀」已經改變,對於涉及需流固耦合之領域而論,應該根據變形後之結構形狀重新進行流體動力計算(CFD),以確認新結構形狀之實際結構荷載,再進行一次結構分析程序以產生變形後之新結構形狀,並且反覆上述流固耦合計算程序,以縮減流體動力荷載誤差,方為結構真實承載之荷載。換言之,流固耦合計算是一種類似於疊代過程之Recycle程序,僅僅是反覆分析步驟較多,實際上並未提高流體動力計算和結構計算之難度。
在同一套有流體和結構分析軟體中,由流力工程師於流體動力分析後,將流體荷載結果交由結構工程師進行結構分析,而後再由結構工程師將結構分析後之變形結構交給流力工程師。之後,再由流力工程師做第二次流體動力分析,將流體荷載結果交由結構工程師進行結構分析,而後再由結構工程師將第二次結構分析後之變形結構交給流力工程師…,重複上述程序即是流固耦合計算過程。一般來說,流固耦合計算約需3~5個Recycle過程,亦即流力工程師在原始結構分析後,至少會再分析二次以上結構工程師提供變形結構之流體動力荷載,而結構工程師至少需要做三次以上結構分析。
流固耦合計算步驟多,為什麼需要進行如此費時又費力之分析程序呢?在考慮安全性較高之結構時,往往需要獲得結構變形後之實際荷載,方能進一步做準確之結構設計。但是,一般而言,結構在流體荷載作用產生變形後,多數情況下之流體動力荷載將由於流體作用之變形結構投影面積縮減,而導致流體動力荷載「縮小」。然而,由於流固耦合計算可以更為準確掌握結構變形後之使用效能,所以即便流體動力荷載縮小,但是最終結構形狀之設計往往取決於其「使用效能」。以轉動機械而論,結構變形將致使扭轉力矩相對改變,是否仍然能夠滿足其原先之轉動設計扭轉力矩使用效能呢?因此,在考慮做流固耦合計算之原因之一,是需要考慮結構變形後之實際使用效能,是否仍然能夠達到原先之功能設計目標,而非僅就結構安全性作唯一之考量因素。
筆者簡要概述流固耦合計算,期能供讀者做參考。
在同一套有流體和結構分析軟體中,由流力工程師於流體動力分析後,將流體荷載結果交由結構工程師進行結構分析,而後再由結構工程師將結構分析後之變形結構交給流力工程師。之後,再由流力工程師做第二次流體動力分析,將流體荷載結果交由結構工程師進行結構分析,而後再由結構工程師將第二次結構分析後之變形結構交給流力工程師…,重複上述程序即是流固耦合計算過程。一般來說,流固耦合計算約需3~5個Recycle過程,亦即流力工程師在原始結構分析後,至少會再分析二次以上結構工程師提供變形結構之流體動力荷載,而結構工程師至少需要做三次以上結構分析。
流固耦合計算步驟多,為什麼需要進行如此費時又費力之分析程序呢?在考慮安全性較高之結構時,往往需要獲得結構變形後之實際荷載,方能進一步做準確之結構設計。但是,一般而言,結構在流體荷載作用產生變形後,多數情況下之流體動力荷載將由於流體作用之變形結構投影面積縮減,而導致流體動力荷載「縮小」。然而,由於流固耦合計算可以更為準確掌握結構變形後之使用效能,所以即便流體動力荷載縮小,但是最終結構形狀之設計往往取決於其「使用效能」。以轉動機械而論,結構變形將致使扭轉力矩相對改變,是否仍然能夠滿足其原先之轉動設計扭轉力矩使用效能呢?因此,在考慮做流固耦合計算之原因之一,是需要考慮結構變形後之實際使用效能,是否仍然能夠達到原先之功能設計目標,而非僅就結構安全性作唯一之考量因素。
筆者簡要概述流固耦合計算,期能供讀者做參考。